NASKAH PUBLIKASI PRARANCANGAN PABRIK NITROGLISERIN DARI ASAM NITRAT DAN GLISERIN DENGAN PROSES BIAZZI KAPASITAS 20.

Transkripsi

1 NASKAH PUBLIKASI PRARANCANGAN PABRIK NITROGLISERIN DARI ASAM NITRAT DAN GLISERIN DENGAN PROSES BIAZZI KAPASITAS TON PER TAHUN Disusun Sebagai Salah Satu Syarat Untuk Memperoleh Gelar Kesarjanaan Strata 1 Fakultas Teknik Universitas Muhammadiyah Surakarta Oleh : Nur Wulan Purnamasari D Dosen pembimbing : 1. Emi Erawati, ST., MEng 2. Rois Fathoni, ST., MSc., PhD JURUSAN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH SURAKARTA SURAKARTA

2 2

3 ABSTRACT Nitroglycerin plant design from glycerol and nitric acid using sulfuric acid catalyst gives a very bright prospects in the industrial world given the absence of factories producing in Indonesia. The plant is planned to operate for 330 days / year over an area of 14,000 m2 which will be established in 2017, the plant site is located in Cikarang Bekasi, West Java, which is adjacent to the PT. Sumi Asih and PT Nitrotama Kimia as the main raw material provider. The plant operates with a capacity of 20,000 tons / year, with consideration to meet domestic needs. Nitroglycerin-making process takes place in the liquid phase using a reactor CSTR (Continuous Stirred Tank Reactor) with a pressure of 1 atm conditions, a temperature of 15 C. Exothermic reaction takes place, irreversible, and non-adiabatic. To support the production process, then set the unit supporting the water supply unit for kg / h. PLN's electricity needs and is obtained from two sets of 500 kw generator as back-up fuel as much as m3 / h and compressed air at 50m3 / h. From the economic analysis done on this factory with fixed capital (FCI) Rp ,94 and working capital of Rp ,08. From the economic analysis of the plant showed a profit before tax of Rp ,50 per year after tax profits by 30% to Rp ,05 per year. Return On Investment (ROI) before taxes 25,945% and 18,162% after tax. Pay Out Time (POT) before tax is years and years after taxes. Break Even Point (BEP) of 42,001%, Shut Down Point (SDP) of 15,330% and the Discounted Cash Flow (DCF) of 23,36%. From the data analysis of the feasibility of the above it can be concluded that the plant is profitable and feasible set Keywords: Nitroglycerin, nitration, Continuous Stirred Tank Reactor 3

4 A. PENDAHULUAN 1. Latar Belakang Pendirian Pabrik Indonesia merupakan salah satu negara yang sedang berkembang dalam sektor industri nya, hal tersebut dapat dilihat dari pesatnya kemajuan industrialisasi di Indonesia. Adanya peluang pasar yang besar, serta kemudahan dalam pemasokan bahan baku merupakan faktor pendukung dalam pendirian suatu industri. Nitrogliserin merupakan senyawa yang dihasilkan dengan proses nitrasi pada kondisi tertentu dengan menggunakan asam nitrat dan asam sulfat sebagai bahan bakunya, yang bermanfaat dalam bidang farmasi dan sebagai bahan peledak. Dalam bidang farmasi misalnya, digunakan sebagai analgesik dan mengurangi frekuensi serangan angina pectoris, sedangkan jika digunakan sebagai bahan peledak, nitrogliserin biasa digunakan dalam sektor pertambangan dan dalam hal pertahanan negara. Nitrogliserin termasuk bahan peledak tingkat tinggi (high explosive) yang biasa dipakai dalam dinamit dan propelan jenis double base dan tripel base. Oleh karena itu kebutuhan nitrogliserin di Indonesia sangat tinggi, dengan bahan baku yang mudah diperoleh di Indonesia, maka nitrogliserin mempunyai prospek yang besar untuk dikembangkan secara komersial. Sampai saat ini belum ada pabrik nitrogliserin di Indonesia, sedangkan kebutuhan nitrogliserin semakin meningkat, sehingga guna memenuhi kebutuhan nitrogliserin dalam negeri, negara Indonesia masih harus mengimpor. 2. Penentuan Kapasitas Rancangan Kapasitas pabrik merupakan faktor yang sangat berpengaruh terhadap perhitungan teknis maupun ekonomis. Meskipun secara teori keuntungan berbanding lurus dengan kapasitas pabrik, namun terdapat beberapa ketentuan lain yang perlu dipertimbangkan antara lain: 1. Proyeksi Kebutuhan Nitrogliserin Konsumsi nitrogliserin diperkirakan akan terus meningkat dalam beberapa tahun mendatang. Hal ini 4

5 dapat dilihat pada tabel impor nitrogliserin sebagaimana ditunjukkan pada tabel 1.1. No Tahun Jumlah Ton/Tahun , , , , , , Kapasitas Pabrik Minimal dan Maksimal Luar Negeri Sampai saat ini di Indonesia belum ada pabrik yang memproduksi nitrogliserin. Pabrik nitrogliserin kapasitas terbesar adalah Union Carbide, Texas dengan kapasitas produksi sebesar ton/tahun, dan kapasitas terkecil adalah Celanse, Bioshop texas dengan kapasitas produksi sebesar ton/tahun. 3. Ketersediaan Bahan Baku Untuk memenuhi kebutuhan bahan baku gliserin diperoleh dari PT. Sumi Asih di bekasi, asam nitrat diperoleh dari PT. Multi Nitrotama Kimia di Cikampek, asam sulfat diperoleh dari PT. Indonesian Acid Industry di bekasi, dan natrium karbonat diperoleh dari PT. Anugrah Putra Kencana di Jakarta. B. DESKRIPSI PROSES 2.1. Diagram Alir Proses Secara umum proses produksi nitrogliserin terdiri dari tiga langkah proses, yaitu: 1. Persiapan Bahan Baku Bahan baku terdiri dari asam nitrat, gliserin dan katalis asam sulfat (H 2 SO 4 ). Asam nitrat dan asam sulfat masing-masing ditempatkan dalam tangki bahan baku (T-01) dan (T-02), sedangkan gliserin ditempatkan dalam tangki bahan baku (T-03) dengan kapasitas untuk memenuhi kebutuhan proses selama tujuh hari. 2. Proses Reaksi Asam nitrat dari tangki bahan baku 1 (T-01) dicampurkan dengan asam sulfat dari tangki bahan baku 5

6 2 (T-02) di dalam mixer-1 (M-01). Asam campuran dari M-01 didinginkan dengan cooler 1 (HE- 01) hingga suhu 15 o C dan dipompa menuju reaktor untuk direaksikan dengan gliserin dari tangki bahan baku 3 (T-03) yang terlebih dahulu didinginkan dengan cooler-2 (HE- 02) hingga suhu 15 o C. Dari reaksi tersebut dihasilkan konversi sebesar 99,43%. Pada reaksi ini timbul panas reaksi, untuk mempertahankan reaksi tetap pada 15 o C maka kelebihan panas ini didinginkan dengan medium pendingin freon dengan suhu 5 o C. Nitrogliserin hasil reaksi, gliserin sisa dan asam sisa keluar secara overflow dari reaktor menuju heater 1 (HE-03) untuk dipanaskan hingga suhu 30 o C, dan kemudian menuju dekanter 1 (D-01). Di dalam dekanter 1 (D-01) nirogliserin dipisahkan dari sisa asam berdasarkan perbedaan densitas. Sisa asam selanjutnya dipompa ke unit pengolahan lanjut, sedangkan nitrogliserin masuk ke dalam netralizer (N-01) untuk dinetralkan dengan natrium karbonat, selanjutnya dialirkan ke tangki pencuci 1 (TP-01) untuk melarutkan garam-garam hasil netralisasi. 3. Proses Pemisahan Garam-garam hasil netralisasi masuk tangki pencuci (TP-01) untuk dicuci dengan air. Selanjutnya nitrogliserin dan garam-garam hasil netralisasi dipisahkan pada dekanter 2 (D-02) berdasarkan perbedaan densitas. Garam-garam hasil netralisasi keluar menuju Unit Pengolahan Limbah (UPL), sedangkan larutan nitrogliserin 99% dipompa menuju tangki produk (T-04) untuk disimpan sebagai produk DasarReaksi Reaksi pembuatan nitrogliserin merupakan reaksi antara asam nitrat dengan gliserin menggunakan katalis asam sulfat (H 2 SO 4 ). C 3 H 5 (OH) 3 + 3HNO 3 H 2 SO 4 C 3 H 5 (ONO 2 ) 3 + 3H 2 O 6

7 Reaksi nitrasi antara gliserin dan asam nitrat merupakan fase caircair bersifat eksotermis, dan ditetapkan pada suhu operasi 15 o C, tekanan sebesar 1 atm diterapkan pada reaktor dengan konversi 99,43%. Perbandingan mol reaktan antara gliserin dan asam adalah 1 : 4. Campuran asam terdiri dari asam nitrat dan asam sulfat dengan perbandingan 52% : 48%. = ((-368,4620) + 3 x (-285,8380)) ((-665,9250) + (3 x (-173,0080)) = (-1.225,976) (-1.184,94) = -41,0270 kj/mol = J/mol Data-data CpdT tiap komponen (T operasi = 15 o C) : CpdT C 3 H 8 O 3 : -2425,0125 J/mol CpdT HNO 3 : -1104,9311 J/mol CpdT C 3 H 5 (ONO 2 ) 3 :-3390,0000 J/mol 2.3.Tinjauan Thermodinamika Reaksi pembuatan nitrogliserin: C 3 H 5 (OH) 3 + 3HNO 3 H 2 SO 4 C 3 H 5 (ONO 2 ) 3 + 3H 2 O Data-data enthalpi tiap komponen (T operasi = 25 o C): ΔH o f C 3 H 8 O 3 : -665,9250 kj/mol ΔH o f HNO 3 : -173,0080 kj/mol ΔH o f C 3 H 5 (ONO 2 ) 3 : -368,4620 kj/mol ΔH o f H 2 O : -285,8380 kj/mol Panas pembentukan: CpdTH 2 O :-756,8168 J/mol CpdT 291 K = CpdT produk - CpdT reaktan =((-3390,0000)+3 x (-756,8168)) ((- 2425,0125)+(3x(-104,9311)) = (-5.660,4504) (-5.739,8058) = 79,3554 J/mol = 0, kj/mol Menghitung panas reaksi pada suhu reaksi (15 o C): ΔH R = ΔH 298 K + CpdT ΔH 298 K = ΔH produk - ΔH reaktan 7

8 = -41,0270 kj/mol + 0, kj/mol= -40, kj/mol Berdasarkan perhitungan dari data-data yang ada, didapat harga enthalpi reaksi pada suhu 15 o C sebesar -40, kj/mol. Harga enthalpi didapat negatif, berarti reaksi pembuatan nitrogliserin merupakan reaksi eksotermis, artinya pada reaksi pembentukan nitrogliserin dibutuhkan sejumlah pendingin tertentu, sehingga reaktor memerlukan pendingin. Reaksi tersebut juga dapat dihitung konstanta kesetimbangan reaksi, K. Data-data energi Gibbs tiap komponen (T = 25 o C): ΔG C 3 H 8 O 3 : -448,49 kj/mol ΔG HNO 3 : -74,70 kj/mol ΔG C 3 H 5 (ONO 2 ) 3 : -206,72 kj/mol ΔG H 2 O : -228,60 kj/mol ΔG 298 K = ΔG produk - ΔG reaktan =((-206,72)+ (3x(228,60)) (-448,49) + 3 x (-74,70)) = (-892,52) (-672,59) = -219,93 kj/mol = J/mol ΔG 298 K = - RT ln K ΔG 298K K 298 K = EXP RT J/mol = EXP 8,3144 J/mol K 298 K K K Besarnya = 3,5461 x konstanta kesetimbangan reaksi pada suhu operasi 15 o C: 288K 298K = ΔH 298K 1 1 EXP R Toperasi = EXP 8, K 288 K = 1,78 x K 298 K = 1,78 x 3,5461 x = 6,312 x Dari hasil perhitungan dapat dilihat bahwa K sangat besar, maka dapat disimpulkan bahwa reaksi bersifat irreversible. 8

9 C. SPESIFIKASI ALAT PROSES a. Mixer-01 (M-01) Nama : M-01 Fungsi : Sebagai alat untuk mencampur umpan asam nitrat sebesar 4.002,7802 kg/jam dan kecepatan umpan asam sulfat sebesar 3.694,8740 kg/jam Operasi : Kontinyu Jumlah : 1 buah Suhu : 30 C Tekanan : 1 atm Diameter : 1,5973 m Tinggi : 2,2724 m Volume : 3,1992 m 3 Jenis : Silinder tegak berpengaduk Jenis head : Torispherical head Bahan kontruksi : Stainless steel SA- 167 (tipe 304) Pengaduk Jenis : Turbin dengan 6 blade disk standar Kecepatan : 149,3046 rpm Diameter : 0,5324 m Motor : Variable-speed belt Power motor : 10 hp Utilitas : listrik untuk menggerakkan pengaduk Harga :Rp ,85 b. Reaktor Nama : R-01 Fungsi : Sebagai alat untuk mereaksikan gliserin dan asan nitrat pada fase cair menjadi nitrogliserin dan air dengan umpan gliserin sebesar 1.028,0731 kg/jam dan kecepatan umpan asam campuran 7.697,6542 kg/jam Operasi : Kontinyu Jumlah : 1 buah Suhu : 15 C Tekanan : 1 atm Diameter : 1,2410 m 9

10 Tinggi : 1,8120 m Volume : 1,9469 m 3 Jenis : Reaktor Alir Tangki Berpengaduk Jenis head : Torispherical head Bahan : Stainless steel SA-167 kontruksi (tipe 304) Pengaduk Jenis : Turbin dengan 6 blade disk standar (1 Impeler) Kecepatan : 627,8022 rpm Diameter : 0,4137 m Motor Power : 175 hp motor Pendingin Jenis : Koil Diameter : 2,5 in Jumlah lilitan: 19 lilitan Medium : Freon Utilitas : Freon pendingin Listrik untuk menggerakkan pengaduk Harga : Rp ,01 c. Heater-03 Nama : HE-03 Fungsi : sebagai alat untuk mendinginkan umpan cairdari reaktor ke decanter-01 dari suhu15 C menjadi 30 C dengan pemanas steam jenuh pada suhu 100 C dengan kecepatan umpan sebesar 8.725,7273 kg/jam Operasi : Kontinyu Jumlah : 1 buah Jenis : Shell and Tube Bahan : Stainless steel SA-167 konstruksi (tipe 304) Beban : ,2580 kj/jam pemanas Luas : 232,7071 ft 2 transfer panas Tube side Medium : Heavy organic keluar reaktor Suhu : 17 C Tekanan : 1 atm OD pipa : ¾ in BWG : 12 Jumlah : 90 Pitch : 1 in square pitch Panjang : 12 ft 10

11 pipa Passes : 2 Shell side Medium : Heavy organic masuk reaktor Suhu : 30 C Tekanan : 1 atm ID pipa : 13 ¼ in Passes : 1 Baffles : 3 Utilitas : Steam jenuh suhu 100 C Harga : Rp ,63 d. Dekanter Nama : D-01 Fungsi : Sebagai alat untuk memisahkan produk reaktor menjadi fase organik dan fase anorganik dengan kecepatan umpan masuk sebesar 8.725,7273 kg/jam Operasi : Kontinyu Jumlah : 1 buah Suhu : 30 C Tekanan : 1 atm Diameter : 0,6759 m Tinggi : 2,3314 m Volume : 0,6059 m Jenis : Continuous Gravity Decanter Silinder Vertical Bahan konstruksi :Stainless steel SA-167 (tipe 304) Harga : Rp ,87 e. Netralizer Nama : N-01 Fungsi : Sebagai alat untuk menetralkan umpan nitrogliserin sebesar 2.627,6867 kg/jam dengan larutan natrium karbonat sebesar 251,3054 kg/jam. Operasi : Kontinyu Jumlah : 1 buah Suhu : 30 C Tekanan : 1 atm Diameter : 1,1202 m Tinggi : 1,6429 m Volume : 1,4417m 3 Jenis : Reaktor Alir Tangki Berpengaduk 11

12 Jenis head : Torispherical head Bahan konstruksi : Stainless steel SA- 167 (tipe 304) Pengaduk Jenis : Turbin Kecepatan : 210 rpm Diameter : 0,3734 m Motor : Variable-speed belt Power motor : 7,5 hp Pendingin Jenis : coil Diameter : 2 ½ in Tinggi : 1,1691 m Jumlah : 33 lilitan lilitan Medium : Chilled water Utilitas : Listrik untuk menggerakkan pengaduk harga : Rp ,01 f. Tangki Pencuci Nama : T.P-01 Fungsi : Sebagai alat untuk melarutkan garamgaram hasil netralisasi Operasi : Kontinyu Jumlah : 1 buah Suhu : 30 C Tekanan Diameter Tinggi : 1 atm : 1,1597 m : 1,6824 m Volume : 1,5959 m 3 Jenis Jenis head Bahan konstruksi Jenis Kecepatan Diameter Motor Power motor Utilitas : Reaktor Alir Tangki Berpengaduk : Torispherical head : Stainless steel SA-167 (tipe 304) Pengaduk : Turbin : 209,8474 rpm : 0,3866 m : Variable-speed belt : 7,5 hp : Listrik untuk menggerakkan pengaduk harga : Rp ,51 D. ANALISIS EKONOMI Pada perancangan pabrik nitrogliserin ini dilakukan evaluasi atau penilaian investasi dengan tujuan mengetahui apakah pabrik yang dirancang menguntungkan atau tidak. Berdasarkan hasil analisa ekonomi terhadap prarancangan pabrik 12

13 amonium klorida diperoleh bahwa total investasi (Total Capital Investment) sebesar Rp ,94 dan total biaya produksi (Production Cost) Rp ,08. Dari analisa kelayakan diperoleh hasil ROI (Return on Investment) sebelum pajak 25,945% dan sesudah pajak 18,162%. POT (Pay Out Time) sebelum pajak 2,782 tahun dan sesudah pajak 3,551 tahun, BEP (Break Even Point) 42,001%, SDP (Shut Down Point) 15,330% dan DCF (Discounted Cash Flow) sebesar 23,36%. Hasil analisis ekonomi dapat digambarkan sebagai berikut ini : E. KESIMPULAN Dari analisa ekonomi yang dilakukan dapat dihitung : 1. Percent Return On Investment (ROI) setelah pajak sebesar 18,162% 2. Pay Out Time (POT) setelah pajak selam 3,551 tahun 3. Break Event Point (BEP) sebesar 42,001% 4. Shut Down Point (SDP) sebesar 15,330% 5. Discounted 23,36% Jadi, Pabrik Nitrogliserin dari Gliserin dan Asam Sulfat dengan kapasitas ton/tahun layak untuk didirikan. DAFTAR PUSTAKA Badan Pusat Statistik. (2006). Retrieved februari 19, 2014, from Gambar 1. Grafik Analisa Kelayakan Pabrik Amonium Klorida Brown, G.G., 1950, Unit Operations, John Wiley and Sons, Inc., New York. Brownell, L.E. and Young, E.H., 1979, Process Equipment Design, John Wiley and Sons, Inc., New York. 13

14 Coulson, J.M. and Richardson, J.F., 1983, Chemical Engineering, Vol. 6, Pergamon Press, Oxford. Holman, J. P., 1988, Perpindahan Kalor, alih bahasa Jasifi E., edisi ke-6, Erlangga, Jakarta. Kai, T. L. (2008). The kinetic parameters and safe operating cinditions of nitroglycerine manufacture in the CSTR of Biazzi process. Process Safety and Enviromental Protection Science Direct 86, Kern, D.Q., 1950, Process Heat Transfer, McGraw-Hill International Book Company Inc., New York. 14